韓國科學(xué)技術(shù)院（KAIST）的研究團(tuán)隊(duì)最近在國際材料科學(xué)領(lǐng)域最高層次期刊之一《Advanced Functional Materials》（中文名：《先進(jìn)功能材料》）上發(fā)表了一項(xiàng)突破性研究，成功開發(fā)出一種全新的雙向形狀記憶合金/聚合物復(fù)合材料（SMA/SMPC）混合智能執(zhí)行器。

這項(xiàng)研究中的新型執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)了82%的可逆恢復(fù)率和140°（88.7毫米）的可逆變形范圍，這一性能指標(biāo)遠(yuǎn)超現(xiàn)有技術(shù)水平。

傳統(tǒng)的形狀記憶材料雖然在機(jī)器人、航空航天等領(lǐng)域有著廣闊應(yīng)用前景，但普遍存在一個(gè)致命缺陷：只能實(shí)現(xiàn)單向不可逆變形。每次使用后都需要重新編程才能再次使用，這極大限制了其在需要重復(fù)執(zhí)行任務(wù)場(chǎng)景中的應(yīng)用。

研究團(tuán)隊(duì)通過材料改性和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的雙重策略，成功解決了這一難題。他們首先通過調(diào)節(jié)環(huán)氧樹脂基體中DGEBA（雙酚A二縮水甘油醚）和DDM（4,4'-二氨基二苯甲烷）的化學(xué)計(jì)量比，精確控制了形狀記憶聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。同時(shí)引入連續(xù)碳纖維增強(qiáng)材料，大幅提升了復(fù)合材料的彈性模量。

01.

創(chuàng)新性"卷簧"結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)超快響應(yīng)

這項(xiàng)研究最具創(chuàng)新性的突破在于引入了橫向曲率的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，形成了獨(dú)特的"卷簧"（tape-spring）形狀。這種設(shè)計(jì)能夠產(chǎn)生突跳（snap-through）效應(yīng)，顯著提升了執(zhí)行器的性能。

有限元仿真結(jié)果清晰展示了這種設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)。普通平板結(jié)構(gòu)在彎曲過程中，彎矩隨彎曲角度線性增加。而卷簧結(jié)構(gòu)由于橫向曲率的存在，初始階段表現(xiàn)出更高的有效彎曲剛度。當(dāng)變形達(dá)到峰值彎矩后，結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生突跳，所需彎矩急劇下降，使得后續(xù)變形能夠快速完成。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)充分驗(yàn)證了這一理論預(yù)測(cè)。采用卷簧設(shè)計(jì)的TS_20執(zhí)行器，正向恢復(fù)速度達(dá)到了平板結(jié)構(gòu)的7.8倍，反向恢復(fù)速度提升了30%。更關(guān)鍵的是，TS_20在整個(gè)熱循環(huán)過程中實(shí)現(xiàn)了接近100%的反向恢復(fù)率，而平板結(jié)構(gòu)僅為81.7%。

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)比了不同永久彎曲半徑的SMA對(duì)執(zhí)行器性能的影響。結(jié)果表明，將SMA的永久彎曲半徑從25毫米減小到20毫米，可逆變形范圍分別提升了37.5%和45.0%。這是因?yàn)檩^小的彎曲半徑能夠在SMA中存儲(chǔ)更多的應(yīng)變能。

02.

展現(xiàn)卓越應(yīng)用潛力和耐久性

為了驗(yàn)證新型執(zhí)行器的實(shí)用性，研究團(tuán)隊(duì)展示了兩個(gè)典型應(yīng)用場(chǎng)景。

在機(jī)器人夾爪應(yīng)用中，執(zhí)行器能夠在一秒內(nèi)完成抓取動(dòng)作，通過簡單的加熱和冷卻循環(huán)實(shí)現(xiàn)物體的抓取、拖動(dòng)、推動(dòng)和釋放。相比傳統(tǒng)的氣動(dòng)、電磁或電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，這種基于形狀記憶效應(yīng)的執(zhí)行器結(jié)構(gòu)更簡單、重量更輕。

在航天可展開結(jié)構(gòu)應(yīng)用中，執(zhí)行器展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。通過形狀編程過程，執(zhí)行器可以在低溫下保持收納狀態(tài)，需要時(shí)通過一個(gè)加熱-冷卻循環(huán)即可完成展開。更重要的是，這種雙向可逆特性使得結(jié)構(gòu)能夠重新收納，便于任務(wù)調(diào)整或完成后的回收。

耐久性測(cè)試進(jìn)一步證實(shí)了執(zhí)行器的可靠性。在連續(xù)10個(gè)熱循環(huán)測(cè)試中，執(zhí)行器保持了穩(wěn)定的形狀記憶性能，平均正向恢復(fù)率為80%，反向恢復(fù)率超過99%，反向恢復(fù)速度為0.48毫米/秒。雖然在第9個(gè)循環(huán)時(shí)反向恢復(fù)率略有下降2.3%，但整體性能保持良好，可逆變形量仍達(dá)85毫米。

這項(xiàng)研究的意義不僅在于性能指標(biāo)的大幅提升。通過巧妙的材料設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，研究團(tuán)隊(duì)成功打破了形狀記憶材料在機(jī)械性能和可逆性之間的固有權(quán)衡關(guān)系。與現(xiàn)有技術(shù)相比，新型執(zhí)行器的可逆恢復(fù)率提升至82%，可逆變形范圍達(dá)到140°，這些指標(biāo)均處于國際領(lǐng)先水平。

論文鏈接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202528863